CN109712495A - 一种阿基米德原理演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理实验装置:阿基米德原理演示仪,一种可以直接测量浮力的大小和测量物体浸没水中的体积，进而测出物体排开液体所受重力大小，完成与中学物理“浮力”相关实验的装置。主要由水箱、颜料水、左管、带刻度的圆柱体样品、连接器、左支撑板、数字推拉式测力计、右管、转动手轮、齿轮、右支撑板、刻度尺、齿条、活塞、密封圈、支撑架、齿轮轴等组成，新设计的实验装置测量精度高，实验操作简便，整个结构设计新颖，结构简单，选材方便，制作容易，除演示阿基米德原理外还可以测量液体的密度、测量固体的密度、探究浮力大小与物体浸入液体深度的关系。

Description

一种阿基米德原理演示仪

技术领域

本发明涉及一种物理实验领域，具体地说是涉及一种阿基米德原理的演示仪，

背景技术

在中学物理中阿基米德原理探究的是物体所受浮力的大小跟它排开液体所受重力的定量关系。教材中的实验需要用弹簧测力计先测出物体所受的重力，再测出物体浸在液体中后所受力的大小，通过两者之差计算物体所受浮力的大小。实验中还需用弹簧测力计测出小桶所受的重力、小桶和桶内液体所受的总重力，通过计算两者之差计算液体浸入液体中的物体所排开液体所受的重力。实验中需要测量、记录的数据较多，加之用手提弹簧测力计读数时不稳定，操作也不方便，有很多地方需要改进。如公告号为CN 204720049U的一个专利，其公开了一种用于中学物理教学的阿基米德原理演示仪，该演示仪是将两个弹簧秤安装在同一横梁上，一个作测力计、一个作浮力计以解决手提弹簧测力计测量时读数不稳定的问题，该专利为了改变物体浸没水中的体积采用的技术方案是将溢水杯套装在一个升降筒中，升降筒竖直方向上开有3个高度调节小孔，在不同高度的小孔中插入铁钉后就可改变溢水杯的溢水高度进而改变物体排开液体的多少。但该演示仪存在两个不足，一是测力用的是弹簧秤测量结果精度不高，二是溢水杯的高度调节很不方便，调节高度的数量有限，操作起来比较困难，需要改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种阿基米德原理的演示仪，可以直接测出物体所受浮力的大小，直接测出物体排开液体的体积，该设计实验测量精度高，实验操作简便，除演示阿基米德原理外还可以测量液体的密度、测量固体的密度、探究浮力大小与物体浸入液体深度的关系。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

作为本申请选择的一种技术方案，一种阿基米德原理演示仪，所述演示仪包括连通器，所述连通器包括水箱、左管和右管，所述水箱分别与左管和右管连通，所述右管内设有刻度尺；所述左管顶部设有数字推拉式的测力计，所述测力计下端连接有圆柱体，圆柱体上设有刻度，圆柱体设置于所述左管内，所述右管内设有一活塞，所述活塞可在所述右管内上下升降，底部的水箱上方开两个圆孔，左右两只有机玻璃管套入水箱上的孔中并用有机玻璃胶水将水箱和两只有机玻璃管粘接在一起形成一个连通器，有机玻璃管及有机玻璃胶等材料都是非常经济实惠且方便取用的材料；

进一步的，所述水箱分别与所述左管、右管通过有机玻璃胶粘连，所述水箱内装有颜料水，采用颜料水是为了更加清楚的观察；

进一步的，还包括一连接器、支撑板，所述测力计与圆柱体通过所述连接器连接；所述支撑板设置于所述左管顶部，且用以安装测力计，支撑板由直径不同的两块有机玻璃板粘接而成，左支撑板套装在左管上，支撑板直径小的部分可以套入有机玻璃管中，更换样品时左支撑板可以从有机玻璃管上自由取放，左支撑板上方安装数字式推拉测力计，下方通过连接器将带有刻度的圆柱体样品与测力计连在一起，使用时根据实验需要可以更换不同的实验样品；

进一步的，所述右管上设有右支撑板，所述右支撑板与所述右管通过有机玻璃胶粘接，活塞与所述右管之间设置有密封圈，所述活塞的一端连接齿条，所述右支撑板上安装有齿轮，所述齿轮与所述齿条啮合，所述右支撑板设有限位孔，所述齿条穿过所述限位孔，所述齿轮由手动或电动驱动，还包括转动手轮、齿轮轴和支撑架，所述齿轮轴可转动的设置于所述支撑架上，所述齿轮固定套接在所述齿轮轴上，所述转动手轮与所述齿轮轴的一端固定连接，右支撑板也是直径不同的两块有机玻璃板粘接而成，但右支撑板套在右管上方后要用有机玻璃胶将两者粘接在一起。齿条作为活塞杆穿过右支撑板上的方孔后与安装在右支撑板上的齿轮配合形成齿轮齿条传动升降装置，通过转动齿轮轴上的手轮可带动齿轮旋转，齿条在齿轮的带动下可使活塞式密封装置上下移动，利用连通器原理密封活塞可使连通器左右两管中的液体上下移动，这样带刻度的圆柱体样品浸没水中的深度就可以调节，所受浮力的大小可由数字式推拉测力计测出，物体浸没水中的体积可从右管上的刻度尺读出。

进一步的，旋转手轮、齿轮和齿轮轴同轴相连一起旋转，齿轮轴由两块有机玻璃板支撑，安装时将齿轮和齿条的位置调整好后将两块有机玻璃板粘接在圆形右支撑板上方，这样转动旋转手轮后可使齿条带动密封活塞上下移动。

进一步的，活塞式密封装置由活塞骨架和O型密封圈组成，活塞骨架由两种直径的五块有机玻璃板依次粘接而成，两个O型密封圈套装在由圆形有机玻璃板做成的U型凹槽中，活塞密封装置用螺钉与齿条连接在一起。

本发明的有益效果是：

1、与现有技术相比，本发明克服了现有技术的不足，F_浮的增大和减小可以通过数字式推拉测力计准确测出；

2、物体浸没在水中时物体排开液体的体积V_排可由连通器右管上的刻度尺准确测出；

3、转动旋转手轮通过密封活塞将连通器右管中的颜料水推到连通器左管中，由于左管中颜料水逐渐增多，物体浸没在水中的体积逐渐增大，物体所受浮力逐渐增大；反方向旋转手轮使连通器左管中的颜料水逐渐减少，物体所受浮力逐渐减小，颜料水更加利于观察，装置的可控性好。

附图说明

图1为本发明所述阿基米德原理演示仪的结构示意图；

图2为阿基米德原理演示仪A向视图；

图3为密封装置结构图；

图4为齿轮支架安装图；

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

1水箱，2左管，3颜料水，4带刻度的圆柱体，5连接器，6左支撑板，7数字推拉式测力计，8转动手轮，9齿轮，10右支撑板，11刻度尺，12齿条，13活塞骨架，14密封圈，15右管，16支撑架，17齿轮轴。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

结合图1、图2、图3和图4所示，本发明包括以下结构：

一种阿基米德原理演示仪，所述演示仪包括连通器，所述连通器包括水箱1、左管2和右管15，水箱1上方开有两个圆孔分别与左管2和右管15连通，所述右管15内设有刻度尺11，用于直接读出液体体积；所述左管2顶部设有数字推拉式的测力计7，所述测力计7下端连接有圆柱体4，圆柱体4上设有刻度，圆柱体4设置于所述左管2内，所述右管15内设有一活塞，所述活塞可在所述右管15内上下升降，去控制圆柱体4浸入体积。

水箱1分别与所述左管2、右管15用有机玻璃胶粘接连通，所述水箱1内装有颜料水3，优选在于取材方便、颜料水便于观察。

测力计7与圆柱体4间设有一连接器5，所述测力计7与圆柱体4通过所述连接器5连接；还包括支撑板6，设置于所述左管2顶部，用于安装测力计7，支撑板6直径小的部分可以套入有机玻璃管2中，更换样品时左支撑板6可以从有机玻璃管2上自由取放，优点是使用时可根据实验需要更换不同的实验样品。

右管15上设有右支撑板10，所述右支撑板10与所述右管15用有机玻璃胶粘接，所述活塞与所述右管15之间设置有密封圈14，以保证活塞不漏水，右支撑板10也是直径不同的两块有机玻璃板粘接而成，但右支撑板10套在右管15上方后要用有机玻璃胶将两者粘接在一起。

活塞的一端连接齿条12，所述右支撑板10上安装有齿轮9，所述齿轮9与所述齿条12啮合，所述右支撑板10设有限位孔，所述齿条12穿过所述限位孔。

还包括转动手轮8和齿轮轴17，所述齿轮轴17可转动的设置于所述支撑架16上，所述齿轮9固定套接在所述齿轮轴17上，所述转动手轮8与所述齿轮轴17的一段固定连接，旋转手轮8、齿轮9和齿轮轴17同轴相连一起旋转，齿轮轴17由两块有机玻璃板16支撑，安装时将齿轮9和齿条12的位置调整好后将两块有机玻璃板16粘接在圆形右支撑10板上方，安装方法如附图4所示，这样转动旋转手轮后可使齿条带动密封活塞上下移动，齿条12作为活塞杆穿过右支撑板10上的方孔后与安装在右支撑板上的齿轮9配合形成齿轮齿条传动升降装置，通过转动齿轮轴17上的手轮8可带动齿轮9旋转，齿条12在齿轮9的带动下可使活塞式密封装置上下移动，利用连通器原理密封活塞可使连通器左右两管中的液体上下移动，这样带刻度的圆柱体样品4浸没水中的深度就可以调节，所受浮力的大小可由数字式推拉测力计7测出，物体浸没水中的体积可从右管15上的刻度尺读出。。

活塞式密封装置由活塞骨架13和O型密封圈14组成，活塞骨架13由两种直径的五块有机玻璃板按附图3的结构依次粘接而成，两个O型密封圈14套装在由圆形有机玻璃板13做成的U型凹槽中，活塞密封装置用螺钉与齿条连接在一起。

本发明的工作原理如下：

验证阿基米德原理原理：旋转手轮，通过齿轮齿条传动装置将右管15中的密封活塞降至右管的最底部，从左管2中往连通器中加入颜料水，加入的颜料水略低于左管的管口，然后旋转手轮使右管中的密封活塞上升，根据连通器原理左管中的水位逐渐下降，左管中的水位大约为管子1/3的高度时停止转动手轮，这时将带有刻度标尺的圆柱体样品挂在数字式推拉测力计上并装入左管2中，然后将数字式推拉测力计清零。旋转手轮使左管中的液面高度逐渐上升，当液面高度刚好与圆柱体样品底部持平时记下右管中颜料水的体积V₁,然后继续旋转手轮使左管2中的液面高度逐渐上升，当液面上升到某一高度时记下右管15中颜料水的体积V₂，推拉测力计的读数F_浮，根据测量的数据计算F＝ρ_液g(V₁-V₂)，如F＝F_浮成立，从而验证阿基米德原理。

测量液体的密度：根据阿基米德原理的公式F_浮＝ρ_液gV_排，将密度未知的液体装入连通器中，按照验证阿基米德原理的实验步骤，分别测出F_浮和V_排，则液体的密度为ρ_液＝F_浮/gV_排。

测量固体的密度(ρ_固>ρ_水)：先将测力计清零，挂上待测固体，读出测力计的读数F₁，此时F₁＝G_固。旋转手轮使左管2中的液面高度逐渐上升，当液面高度刚好与圆柱体样品底部持平时记下右管15中颜料水的体积V₁,然后继续旋转手轮使左管2中的液面高度逐渐上升，当圆柱体全部浸入液体中时记下右管15中颜料水的体积V₂，读出推拉测力计的读数F₂，根据阿基米德原理的公式F_浮＝F₁-F₂＝ρ_水g(V₁-V₂)和物体重力公式G_固＝ρ_固gV_固，由于V_固＝V₁-V₂，所以，待测固体(ρ_固>ρ_水)的密度ρ_固＝G_固ρ_水/F_浮。

新设计的阿基米德原理演示仪，整个结构设计新颖，结构简单，选材方便，制作容易，除能定性和定量研究阿基米德原理外还可完成中学物理与“浮力”有关的物理实验，仪器使用效果非常好，实现了发明的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种阿基米德原理演示仪，其特征在于，所述演示仪包括连通器，所述连通器包括水箱（1）、左管2（2）和右管（15），所述水箱（1)分别与左管（2）和右管（15）连通，所述右管（15）内设有刻度尺（11）；所述左管（2）顶部设有数字推拉式的测力计（7），所述测力计（7）下端连接有圆柱体（4），圆柱体（4）上设有刻度，圆柱体（4）设置于所述左管（2）内，所述右管（15）内设有一活塞，所述活塞可在所述右管（15）内上下升降。

2.根据权利要求1所述的一种阿基米德原理演示仪，其特征在于：所述水箱（1）分别与所述左管（2）、右管（15）通过有机玻璃胶粘连，所述水箱（1）内装有颜料水（3）。

3.根据权利要求1所述的一种阿基米德原理演示仪，其特征在于，还包括一连接器（5）、支撑板（6），所述测力计（7）与圆柱体（4）通过所述连接器（5）连接；所述支撑板（6）设置于所述左管（2）顶部，且用以安装测力计（7），所述支撑板（6）可从左管（2）上取下。

4.根据权利要求1所述的一种阿基米德原理演示仪，其特征在于，所述右管（15）上设有右支撑板（10），所述右支撑板（10）与所述右管（15）通过有机玻璃胶粘接。

5.根据权利要求1所述的一种阿基米德原理演示仪，其特征在于，所述活塞与所述右管（15）之间设置有密封圈（14）。

6.根据权利要求1或5所述的一种阿基米德原理演示仪，其特征在于，所述活塞的一端连接齿条（12），所述右支撑板（10）上安装有齿轮（9），所述齿轮（9）与所述齿条（12）啮合，所述右支撑板（10）设有限位孔，所述齿条（12）穿过所述限位孔，所述齿轮（9）由手动或电动驱动。

7.根据权利要求7所述的一种阿基米德原理演示仪，其特征在于，还包括转动手轮（8）、齿轮轴（17）和支撑架（16），所述齿轮轴（17）可转动的设置于所述支撑架（16）上，所述齿轮（9）固定套接在所述齿轮轴（17）上，所述转动手轮（8）与所述齿轮轴（17）的一端固定连接。

8.根据权利要求1或5所述的一种阿基米德原理演示仪，其特征在于，所述活塞（13）由活塞骨架（13）和O型的密封圈（14）组成，活塞骨架（13）由两种直径的五块有机玻璃板依次粘接而成，两个O型的密封圈（14）套装在由圆形有机玻璃板做成的U型凹槽中，形成一活塞密封装置，所述活塞密封装置用螺钉与齿条（12）连接在一起。